陳劍云

（廣東省交通運輸工程質(zhì)量監(jiān)督站，廣東廣州 510420）

0 前言

李家沙特大橋主橋為110 m+220 m+110 m三跨雙塔四索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，采用平行的上下兩幅橋，兩主梁橫向完全分離，斜拉索布置在主梁兩側(cè)形成空間四索面。主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土肋板式結(jié)構(gòu)。主橋共有112對斜拉索，拉索采用直徑為7 mm的鍍鋅高強度低松弛平行鋼絲。主塔采用兩個并列的菱形塔橫向連接而成。該橋設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級。橋梁結(jié)構(gòu)靜動載試驗是對橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)進行直接測試的一種鑒定手段，是檢驗結(jié)構(gòu)強度、剛度以及動力參數(shù)等性能的最直接、最有效的方法。在通車前對成橋?qū)嵤╈o動載試驗，其目的在于檢驗橋梁設(shè)計與施工質(zhì)量，確定工程結(jié)構(gòu)的工作性能和可靠性，評價主橋施工質(zhì)量是否達到設(shè)計要求，為竣工驗收提供技術(shù)依據(jù)，同時也為橋梁建立了“指紋”檔案，為該橋使用過程的維護與檢測提供基準數(shù)據(jù)。

1 試驗荷載設(shè)計與方法

1.1 靜載加載設(shè)計

靜載試驗的工況設(shè)定和加載位置的確定原則：在加載荷載的作用下，主梁、主塔的內(nèi)力值控制在設(shè)計荷載作用下最不利彎矩效應(yīng)值的0.8～1.0范圍內(nèi)，同時，要用最少的試驗加載車輛獲得最大的試驗荷載效率。理論計算使用MIDAS橋梁分析軟件進行，根據(jù)計算結(jié)果，并經(jīng)過分析，將靜載試驗分為兩個工況。其中工況1測試A截面最大負彎矩和全橋撓度，采用12輛300 kN的載重汽車，分四級進行加載，滿載后持荷至變形穩(wěn)定，分兩級進行卸載，卸載后繼續(xù)進行觀測至結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。工況2測試內(nèi)容為B截面最大正彎矩和最大撓度、C截面最大彎矩、3號塔頂最大偏位，采用20輛300 kN的載重汽車，加載和卸載方式同工況1，靜載試驗測試截面見圖1。

1.2 靜載試驗內(nèi)容及方法

靜載試驗主要進行以下內(nèi)容的測試：主梁活載正彎矩、負彎矩控制截面應(yīng)力檢測；索塔塔柱底彎矩控制截面應(yīng)力檢測；索塔頂水平位移檢測；主梁最大撓度檢測；主梁測試截面附近拉索索力檢測；各主要截面和部位的裂縫觀測。其中，應(yīng)力測試的儀器是振弦式應(yīng)變計，斜拉索索力測試采用頻率法，主梁撓度測試的儀器是全站儀和精密水準儀，溫度測試以溫度槍為主要測試工具。

1.3 動載試驗內(nèi)容及方法

動載試驗的內(nèi)容包括脈動試驗和受迫振動試驗，主要測定結(jié)構(gòu)的振動特性，分為三個方面，即結(jié)構(gòu)自振頻率及振型測定、結(jié)構(gòu)自振阻尼比測定和結(jié)構(gòu)動力系數(shù)測定。脈動試驗是在主梁上布置高靈敏度、超低頻的拾振器，長時間記錄結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下的振動，并對所得信號進行頻譜分析，從而獲得結(jié)構(gòu)的自振特性。通過對環(huán)境激勵下橋梁的響應(yīng)信號進行多次功率譜的平均分析，可得到各階自振頻率的振型、阻尼比等。受迫振動試驗是在主梁主跨跨中截面布置動應(yīng)變、動撓度測點，以測試在受迫振動荷載作用下的動力響應(yīng)值，與同樣靜荷載作用下的靜應(yīng)變、靜撓度進行比較，從而得到不同行駛車速下的動力系數(shù)，同時在橋面的主要截面布置高靈敏度拾振器，測試結(jié)構(gòu)的振動響應(yīng)。

2 靜載試驗結(jié)果與分析

靜載試驗主要是在荷載作用下，測量相關(guān)的參數(shù)，以便可以反映結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)。本次靜載試驗A截面對稱荷載下最大負彎矩試驗效率為0.96，B截面對稱荷載下最大正彎矩試驗效率為0.94、對稱荷載下最大撓度試驗效率為1.00，C截面對稱荷載下最大正彎矩試驗效率為0.99，3號塔頂對稱荷載下最大偏位試驗效率為0.92，均滿足《大跨徑混凝土橋梁試驗方法》規(guī)定的0.80≤ηq≤1.00的要求。

圖1 靜載試驗測試截面布置圖（單位：cm）

試驗記錄了各工況實測撓度、索力、橋塔偏位、應(yīng)變及其殘余值，結(jié)合理論值可計算出這些測試項目增量的校驗系數(shù)。通過這些測量項目荷載效應(yīng)增量實測值和理論值的比較及校驗系數(shù)、殘余值與最大效應(yīng)測試值的比值等參數(shù)判定結(jié)構(gòu)的實際工作狀況。本文限于篇幅，只對各工況的重點考擦內(nèi)容進行分析。

2.1 各工況主梁撓度分析

滿載荷載下，工況1中最大撓度測點L5、R5實測彈性撓度數(shù)值分別為25.41 mm、25.31 mm，平均撓度值為25.36 mm，對應(yīng)的理論計算值為25.57，相應(yīng)校驗系數(shù)為0.99；工況2中最大撓度測點L12、R12實測彈性撓度數(shù)值分別為121.15 mm、117.85 mm，平均撓度值為119.5 mm，對應(yīng)的理論計算值為113.90 mm，相應(yīng)校驗系數(shù)為1.05，均處于規(guī)定的常值范圍（0.70～1.05），說明主梁剛度滿足設(shè)計要求。工況2主梁各撓度測點實測撓度曲線見圖2，主梁的實測變形曲線平滑連續(xù)，且與理論計算變形吻合較好。

圖2 工況2主梁實測撓度曲線（右側(cè)）

2.2 各工況應(yīng)力測試截面結(jié)果分析

滿載作用下，各截面應(yīng)力（應(yīng)變）實測結(jié)果見表1，由表1可以看出，各工況下對應(yīng)主梁和主塔截面的應(yīng)變實測值均小于理論值，校驗系數(shù)介于0.76～0.95之間，均小于1.05，在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)，說明主梁和主塔結(jié)構(gòu)具有足夠的強度。

表1 各截面應(yīng)力（應(yīng)變）測試結(jié)果（單位：με）

2.3 斜拉索索力分析

各級荷載作用下，4號塔中跨12、13、14號索的索力變化較有規(guī)律。滿載時，拉索實測索力與設(shè)計理論計算值比較吻合，卸載后也基本可恢復(fù)，說明結(jié)構(gòu)工作性能良好，其中，部分斜拉索索力變化實測值和滿載理論值見表2。

2.4 主塔塔頂位移分析

工況2滿載情況下，左幅3號索塔塔頂?shù)目v橋向位移的實測值為34.29 mm，理論計算值為45.15 mm，相應(yīng)的校驗系數(shù)為0.76，均小于1.05，在規(guī)范要求的合理范圍內(nèi)，說明主塔剛度滿足設(shè)計要求。

2.5 彈性工作性能分析

卸載后，工況1中各主要撓度測點相對殘余撓度介于0%～8%之間，最大撓度測點相對殘余撓度為1%，A截面主要應(yīng)變測點的相對殘余應(yīng)變介于0%～11%之間；工況2中各主要撓度測點相對殘余撓度介于4%～8%之間，最大撓度測點相對殘余撓度為5%，B截面主要應(yīng)變測點的相對殘余應(yīng)變介于0%～13%之間，C截面主要應(yīng)變測點的相對殘余應(yīng)變介于0%～10%之間，均小于規(guī)定的相對殘余最大值20%。工況1、工況2滿載下全橋理論撓度曲線與實測撓度曲線之間吻合程度好，主要撓度測點的實測撓度、理論撓度曲線與荷載效率之間均呈良好線性關(guān)系，各級荷載作用下兩條曲線斜率比較接近；主要應(yīng)變測點應(yīng)變實測值與荷載試驗效率系數(shù)線性關(guān)系良好，說明結(jié)構(gòu)處于彈性工作狀態(tài)。

表2 工況2部分斜拉索索力變化實測值（單位：kN）

3 動載試驗結(jié)果與分析

3.1 脈動試驗結(jié)果與分析

有限元方法是大型復(fù)雜工程結(jié)構(gòu)理論模態(tài)分析的主要方法，有限元模型可以提供橋梁結(jié)構(gòu)詳細的空間物理特性與模態(tài)特性，而通過實橋的環(huán)境振動試驗，采用先進的結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)識別方法，可以獲得橋梁真實的結(jié)構(gòu)特性，計算可知，大橋模態(tài)計算值和試驗值見表2。頻率分析：主梁實測前6階自振頻率均比理論計算值大，表明結(jié)構(gòu)的剛度滿足設(shè)計要求。各階振型與理論計算對應(yīng)振型基本一致，表明計算模型正確，同時也驗證了實測數(shù)據(jù)的正確性。阻尼比分析：阻尼比是體現(xiàn)結(jié)構(gòu)消散外部能量的重要指標，阻尼比越大說明結(jié)構(gòu)越容易消耗外部能量，可能是結(jié)構(gòu)存有結(jié)構(gòu)裂縫的原因?qū)е?。本次主梁實測各階平均阻尼比測試結(jié)果范圍為1.87%～4.50%，屬于正常范圍。振型分析：本次試驗各階振型與理論計算對應(yīng)振型基本一致，表明計算模型正確，同時也驗證了實測數(shù)據(jù)的正確性。

3.2 受迫振動測試結(jié)果及分析

車速為20 km/h的勻速行車工況下，主梁中跨跨中截面動撓度曲線見圖3。

在10～60 km的無障礙行車激振和10～30 km的有障礙行車激振作用下，主梁中跨跨中撓度測點的動態(tài)效應(yīng)增大系數(shù)見圖4。

圖4 行車試驗動態(tài)響應(yīng)與車速關(guān)系

從實測動撓度結(jié)果可以看出：各無障礙行車激振工況下主梁跨中撓度的動態(tài)效應(yīng)增大系數(shù)介于1.009～1.044之間，最大值出現(xiàn)在時速為40 km時，可見無障礙行車對主梁的沖擊效應(yīng)不大，說明當橋面平順時，橋面行車對橋跨結(jié)構(gòu)的沖擊作用很小。有障礙行車試驗下主梁跨中撓度的動態(tài)效應(yīng)增大系數(shù)介于1.052～1.217之間，最大值出現(xiàn)在時速為10 km時。在不同車速下，有障礙行車試驗的動撓度所對應(yīng)增大系數(shù)均大于無障礙行車試驗的相應(yīng)動力系數(shù)，表明車輛非正常行駛時橋面不平整對結(jié)構(gòu)工作狀況影響較為不利。

4 結(jié)語

由該橋的靜載試驗實測數(shù)據(jù)的分析可知結(jié)構(gòu)各項力學(xué)控制指標均基本符合規(guī)范要求及設(shè)計要求，實測試驗曲線變化與理論計算基本一致，可見該橋結(jié)構(gòu)在試驗荷載下處于彈性受力狀態(tài)，主梁、主塔的剛度、強度性能良好，結(jié)構(gòu)受力合理，橋跨結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計荷載等級公路-Ⅰ級的要求。

由動載試驗實測數(shù)據(jù)的分析可知橋跨結(jié)構(gòu)具有良好的動力性能，滿足設(shè)計要求。跳車試驗所得應(yīng)變動力系數(shù)明顯要大于跑車試驗所得動力系數(shù)，說明橋面不平整對結(jié)構(gòu)工作狀況影響較為不利。因此，在橋梁運營過程中應(yīng)盡量保持橋面平整。

通過橋跨結(jié)構(gòu)的靜動載試驗，在整理分析試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上建立了該橋竣工后的詳細的結(jié)構(gòu)靜動力性能檔案資料。這也為以后該橋在運營階段，特別是老化階段的檢測與評定提供了基準數(shù)據(jù)。